带终端角度约束的多目标最优鲁棒制导方法

BTT飞行器需要在环境与模型存在不确定性的情况下,满足攻角幅值、倾侧角转率等多约束条件,实现带终端角度约束的高精度制导。针对该问题提出了一种多目标最优鲁棒制导方法。建立含干扰输入描述的制导律设计模型,将制导问题转化为鲁棒制导律设计与制导律参数多目标综合优化两个子问题。采用基于L2性能指标的鲁棒控制方法设计制导律,将其中的参数作为待优化变量。建立多目标综合优化模型,基于遗传算法,优化制导律参数。数学仿真结果表明,提出的制导方法可以满足带终端角度约束的多目标制导任务要求。     

基于SRUKF的偏心仅测角相对导航方法

针对以单个光学/红外相机作为相对导航敏感器的航天器,提出采用相机偏心安装和平方根无损卡尔曼滤波（SRUKF）两种方法,解决自主交会时中远距离和近距离全过程的仅测角导航(AON)问题。在观测相机安装时,人为设置一个分米量级的安装偏心,按照观测距离分段建立相机观测模型并推导了观测敏感矩阵,从理论上证明了径向和法向相机安装偏心可以改善近距离v-bar相对位置保持点的观测度,并且对远距离导航精度没影响。构建了基于SRUKF的仅测角导航方法,该方法不需要强制要求初始估计误差满足小量假设和零均值高斯分布假设。经算例验证,在远距离时,采用本文提出的仅测角导航方法,其导航精度比传统扩展卡尔曼滤波（EKF）方法提高了一倍,计算负载降低了约10%;在近距离时,解决了仅测角导航v-bar相对位置保持点不可观测问题;并且当初始估计误差呈非高斯特性时,依然可以实现对相对距离的无偏估计。     

航天器近程编队自主协同相对导航方法

针对GNSS(全球导航卫星系统)拒止环境下近圆轨道多航天器近距离编队自主协同相对导航问题,提出了利用测角相机偏离航天器质心安装时的杆臂效应和多航天器之间几何一致性约束来实现相对导航的方法。首先,在第二轨道坐标下分别建立了基于Hill Clohessy Wiltshire方程的多航天器编队相对轨道演化模型、测角相机偏离质心安装情况下的相对视线角测量模型;然后,引入多航天器之间几何约束建立了相对轨道状态的一致性约束模型,并基于该约束模型设计了一致性扩展卡尔曼滤波估计算法;接着,对所建立的相对导航模型进行了相对轨道状态的可观测性分析,得到了使相对轨道可观测的相机偏置安装条件;最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了校验,并与一致性无约束条件下的估计算法进行了对比分析。仿真结果表明,本文所提算法的相对位置误差能够快速收敛,在5 m传感器偏置和10 -3 rad量级测角误差条件下,多航天器相对定位误差在10 m以内。     

基于轨迹预测的高超声速飞行器拦截中/末制导研究

针对因高超声速飞行器全程飞行速度快且具较强的机动能力,导致中末制导需用过载超出可用过载,采用传统制导律难以满足拦截需求的问题,对一种基于虚拟目标的高超声速飞行器轨迹拦截方法进行了研究。基于目标Singer运动学模型和量测模型,用扩展卡尔曼滤波(EKF)估计目标运动信息,将预测命中时刻目标运动轨迹作为虚拟目标点,考虑拦截交会角约束,采用针对虚拟目标的中制导拦截策略,在末制导段采用比例修正制导。通过随距离可变的末制导过渡段指令,以避免中末制导弹道交班的过载抖动。仿真结果表明:基于虚拟目标点高超声速目标拦截能有效减小末端弹目交会角同时降低需用过载。为降低中制导误差,可在拦截过程中实时更新一次虚拟目标的预测结果。该法可用于高超声速飞行器拦截,以及其他大机动目标的轨迹预测和拦截。     

行星动力下降多约束最优反馈制导方法

为实现行星定点着陆，针对E制导和零控位移偏差/零控速度偏差(ZEM/ZEV)制导的不足，提出多约束下动力下降最优反馈制导方法。首先，在分析E制导性质的基础上，提出制导时长初值的高效选取方法和基于预测校正的优化方法，经少量迭代实现在推力范围受限且连续变推力约束下推进剂消耗接近最优。接着，提出基于碰撞规避时长和推力优化分配律的地平碰撞规避方法，并在此基础上利用坐标系旋转，给出满足下滑角约束的碰撞规避方法，显著提高碰撞规避能力和着陆点可见性。之后，提出匀速转动制导和基于预测校正的组合制导参数规划方法，使制导终端扩充满足加速度约束。最后，数学仿真表明新方法有效，多约束适应性强，计算量相对小，适合工程应用。     

一种不依赖剩余时间估计的巡航导弹多约束制导律

针对巡航导弹末段多约束精确打击问题,提出了一种不依赖剩余时间估计的攻击角度/时间制导律。推导了航向弹目相对运动关系,设计了一种基于附加航向角设计的时间约束制导律,通过对时间增益系数的设计和优化,实现附加航向角的调节,可使实际飞行时间向期望时间快速收敛;在此基础上,将角度约束制导律与时间约束制导律相结合,得到了一种角度/时间约束制导律。该制导律不依赖于剩余时间估计,进而实现多约束条件下航向轨迹自适应调整;通过求解偏置导引律闭环轨迹分析得到轨迹收敛条件,给出满足角度/时间约束制导律的显式收敛条件。最后通过数学仿真验证了本文提出的航向多约束制导律可满足时间和角度等多约束条件且具有快速收敛特性。     

非合作目标交会接近的自主检测和跟踪方法研究

提出一种针对空间非合作目标交会接近的自主检测和跟踪方法。在摄像机捕获原始图像后,利用推导的主动星高精度姿态来确定摄像机的精确指向,并结合恒星星库进行初步恒星对象剔除操作,随后基于不同对象在图像中的运动轨迹差异进行目标的精确识别。在目标仅视线角可观测的条件下,基于相对轨道根数建立相对运动方程,并利用扩展卡尔曼滤波器(EKF)构建仅测角相对导航滤波器以推导出主动星和目标之间的相对运动状态。最后通过搭建的半物理仿真平台,对该方法在3种轨道场景中的性能进行了仿真测试,结果显示,当卫星姿态确定的指向精度在优于3″的条件下,该方法的目标检测正确率在96%以上,提出的仅测角相对导航滤波器的相对定轨精度在所测距离范围的1%以内。     

带末端攻击角约束连续有限时间稳定制导律

针对制导武器末端攻击角约束与末端弹道尽可能平直的要求,应用有限时间控制方法,设计了具有末端攻击角约束的连续有限时间稳定制导律,使闭环制导系统在有限时间内视线角速度收敛到零和视线角收敛到期望值。通过非线性控制系统的有限时间稳定齐次性理论对该制导律进行了分析,证明了闭环制导系统的视线角速度和视线角全局有限时间稳定特性,并基于有限时间Lyapunov稳定性理论给出了闭环制导系统有限停息时间的表达式。在实例应用仿真中,比较了该制导律与最优制导律的制导性能,检验了该制导律在不同作战任务下的制导效果。仿真结果证实了该制导律的有效性和鲁棒性。     

基于改进伪谱反馈控制的远程变轨闭环制导

利用最优反馈控制和轨迹快速重构技术,设计一种有限推力空间远程变轨自适应闭环制导方法。首先给出了最优反馈控制的求解原理和必要条件。将空间变轨动力学模型特点和伪谱法相结合,设计基于状态量缩减的计算效率改进策略以提高轨迹优化的实时性。基于改进伪谱法进行逐次轨迹快速重构,利用开环最优解形成闭环反馈,从而保证制导指令的实时更新,并通过引入控制逻辑改进制导算法。远程交会仿真表明,该闭环制导方法在保证任务指标具有一定最优性的同时,可以有效抑制多种参数不确定性和外界干扰的影响,具有较高的制导精度、自适应性和鲁棒性。     

长征运载火箭制导方法

对长征系列运载火箭制导方法的发展和当前最新研究成果进行了综述。为满足轨道控制需求,制导方法起步于外干扰补偿制导,历经隐式和显式的摄动制导,逐步过渡到目前的闭环最优制导,并且发展出多个分支。传统迭代制导通过预测最佳入轨点、实时修正剩余飞行时间以及在线轨迹规划等技术,实现了高精度入轨控制;轨道预测修正迭代制导则通过跨飞行段取消位置与速度约束,并补偿对轨道的影响,实现了大推力直接入轨火箭的高精度控制;二次曲线直接制导通过改变程序角形式,增加控制维数,满足了终端姿态约束要求。最后结合我国未来重型运载火箭的任务特点,提出了在不同任务场景下采用统一的制导方法的设想,并以凸优化和联立法作为实现手段讨论了未来的研究重点。     

仅测角导航的自主交会闭环控制偏差分析

基于仅测角的相对导航技术是降低航天器相对导航系统复杂性和成本的有效手段。在仅测角相对导航模式下,对自主交会闭环控制过程的状态偏差进行了分析和仿真。基于相对动力学方程,建立了以仅测角为测量参数的非合作式相对导航模型。采用脉冲闭环控制方式,对追踪器在仅测角导航条件下的相对导航协方差及相对运动轨迹控制协方差进行了分析。最后,采用数值仿真手段,对自主交会闭环控制过程的导航和轨迹控制协方差特性进行了分析,并通过100次Monte Carlo打靶仿真验证了轨迹控制协方差分析的正确性。     

战术导弹防御中的拦截交会角约束研究

由于拦截器侧向发动机纠偏能力的限制及TBM的初始位置误差的影响,拦截交会角需要满足一定的范围才能命中目标.本文研究了战术导弹防御的拦截交会角约束问题,提出了一种运动学几何分析方法,推导了TBM的初始位置误差引起的横向偏差与拦截交会角的解析关系,分析了拦截交会角对末制导段纠偏的影响,确定了可命中目标允许的拦截交会角范围.通过仿真计算和分析,论证了该方法的有效性.     

考虑侧窗约束的模型预测静态规划末制导方法

针对红外导引头侧窗探测模式下,非对称视场约束造成末制导阶段目标易丢失的问题，提出一种考虑侧窗约束的模型预测静态规划末制导方法。首先，基于体视线坐标系建立三维相对运动模型，得到不依赖于“小攻角”假设的准确模型。在处理无过程约束问题的模型预测静态规划方法基础上，引入松弛变量与虚拟控制量，设计出考虑侧窗视场约束的末制导算法。为了进一步降低末制导算法对初始猜测轨迹的依赖性，提高适应性与计算效率，提出逐步增加约束条件的计算策略。仿真结果表明，该方法在末制导过程中满足侧窗约束，相比于凸优化方法，优化变量减少，计算速度更快；相比于基于障碍李雅普诺夫函数的末制导律，能够满足侧窗约束，同时能适应不同的初始条件。     

多约束下考虑控制饱和的自适应末制导方法

对地攻击飞行器在末制导过程中需满足导引头视场、攻角、落角等多种约束。针对这一问题提出一种多约束下的制导方法。将多约束下的制导问题转化为具有控制饱和的线性系统的镇定问题。针对该问题,利用基于参量Lyapunov方程的低增益反馈设计方法,推导带低增益参数的纵向制导律。借助Lambert W函数,研究闭环系统状态收敛特性与低增益参数的关系,给出低增益参数的自适应整定方法。通过该方法在线调整参数,使各约束条件得到满足。通过数值仿真对提出的制导方法进行校验。仿真结果表明,提出的制导方法满足约束条件且获得较高的制导精度。     

单星对卫星仅测角被动跟踪的三维可观测性研究

单个卫星观测器对卫星的仅测角被动跟踪技术在空间目标监视中具有重要价值。研究了单个卫星观测器对卫星仅测角被动跟踪中的重要理论问题——系统可观测性问题。在三维情况下基于角度测量信息建立了目标加速度由其位置、速度确定的运动模型,推导了该模型的系统可观测充要条件,最后严格证明了三维情况下单星对卫星的仅测角被动跟踪系统满足上述可观测充要条件。
     

载人机动装置救援轨迹优化设计

本文研究宇航员携带舱外机动装置（ＭＭＵ）进行舱外飞行，营救脱离空间站的目标，随后返回空间站的Ｈｉｌｌ制导方法。根据最小燃料指标，精度要求和时间约束，优化设计ＭＭＵ出舱营救脱离空间站的宇航员或其它装置的飞行轨迹。求出１７种典型情况下的最小燃料解，提出了救援轨迹设计准则。本文分析了ＭＭＵ交会目标过程中，导航和控制误差对Ｈｉｌｌ制导瞄准误差的影响，提出了用多脉冲Ｈｉｌｌ制导按标称最优轨迹飞行的设计方案，     

一种6-DOF小行星着陆轨迹序列凸优化方法

针对6自由度的小行星动力着陆多约束轨迹优化问题,提出了一种基于序列凸优化的小行星着陆轨迹优化算法。首先采用多面体引力场模型计算小行星的引力场,其可用于描述任意形状的小行星引力场,且比质点群法和球谐函数展开法等方法计算精度更高。为了在凸约束下解决小行星着陆过程燃料消耗最优问题,通过对探测器动力学模型及其约束进行线性化和离散化,将原来的非凸连续时间优化问题转化为凸化的子问题,即二阶锥规划问题（SOCP）;然后引入了虚拟控制项和信赖域,以增强算法的鲁棒性。通过在形状不规则小行星上的着陆模拟,验证了所提出算法的有效性,仿真结果满足各项约束条件,可实现高精度着陆和燃料消耗最优的目标。     

深空着陆器随机优化制导律设计

针对导航估计误差对制导精度的不利影响,提出了一种随机优化制导设计方法。该方法将导航估计性能作为优化项引入制导设计过程中,通过对观测轨迹的优化设计,使视觉导航估计精度得到提高,进而改善了制导性能;同时,引入单步超前优化方法减少迭代运算量。将其应用于深空探测着陆任务,仿真结果表明与传统估计最优制导方法相比,该随机优化制导律有效降低了估计误差给制导系统带来的不利影响,使着陆器导航与制导系统整体性能得到改善提高。     

火星轨道交会自主导航与制导方法

对火星采样返回任务中的火星轨道交会自主导航和制导技术进行了研究。采用光学自主导航敏感器测量的火星中心方向和视半径，相对敏感器测量的相对位置等观测量，设计了导航滤波器同时估计轨返组合体和上升器的轨道。在导航滤波器设计中，针对光学自主导航敏感器更新频率远低于滤波解算频率的问题，设计了一种连续观测量构造算法，确保每个滤波周期均可进行测量更新，以提高导航精度。基于导航滤波器估计结果，采用T-H制导设计了4脉冲共椭圆交会策略实施轨道控制，从而构成近程交会自主导航和制导方案用于完成火星轨道交会任务。通过数学仿真校验了所提出方法的有效性。     

具有落点和落角约束的圆轨迹制导律

针对再入飞行器带终端约束的末制导问题,在二维平面内设计了一种新型圆轨迹制导律。首先,利用再入飞行器与目标相对几何关系对圆轨迹制导方法进行运动学分析。再通过对制导任务的分析,定义了两个圆轨迹跟踪误差变量,并基于此提出误差反馈导引方法。然后,得出闭环圆轨迹制导律,并对制导指令分量的具体含义进行了分析。最后,对该制导算法的有效性进行了仿真验证。仿真结果表明：此算法可用于末端大角度转向飞行,有效提高再入飞行器的作战效能;并且制导精度高,其中命中点误差和碰撞角约束误差都很小。